43［原著論文］

ニオブコンデンサにおけるリーク電流の発現メカニズム金田和博

山陽小野田市立山口東京理科大学

共通教育センター

Electrical Properties and Energy Band Structure ofNiobium Electrolytic Capacitor
Kazuhiro KANEDA
Center for Liberal Arts and Sciences, Sanyo-Onoda City University

Abstract
The characteristics of niobium electrolytic capacitor with various metal cathode fabricated by sputteringand vacuum evaporation were investigated. The energy band structure of niobium capacitor was evaluatedby measuring of the properties of each material that the capacitor consists of. The relation between theleakage current of the capacitor and the barrier height of the interface between the cathode and the dielectric
was estimated. As a result, it is clear that the leakage current is reduced by the higher barrier height of theinterface. It is effective for suppressing the leakage current to select the material with a large work function
as the cathode.

KEY WORDS：niobium, niobium oxide, capacitor, leakage current, energy band,
work function, ionization potential, bandgap, aluminum, platinum, gold, iridium, iridium oxide,
キーワード：ニオブ、酸化ニオブ、コンデンサ、リーク電流、エネルギーバンド、仕事関数、イオン化ポテンシャル、バンドギャップ（禁制帯幅）、アルミニウム、白金、金、イリジウム、
酸化イリジウムニオブコンデンサにおけるリーク電流の発現メカニズム

図３
図２45

作製したコンデンサの断面構造

エネルギーバンド構造（陰極と誘電体の界面）

入射光のエネルギー範囲は3.4～6.2 eV である。誘電は誘電体の比誘電率、q は電気素量、ND はドナー濃体のイオン化ポテンシャルの測定には、イオンポテン度、Vbi は内蔵電位、V は印加電圧、k はボルツマン

シャル測定装置（住友重機械メカトロニクス

定数、T は絶対温度である。式（1）によれば、障壁201）を用いた 。入射光のエネルギー範囲は3.0～9.0

高さは陰極の仕事関数と誘電体の電子親和力との差のeV である。誘電体のバンドギャップの測定には非関数であり、ニオブコンデンサの場合には誘電体の電接触光学式薄膜計測システム（Scientific Computing

PYS-14）子親和力は決まっているので、陰極の仕事関数が大きInternationalいほど障壁高さが大きくなり、電子のトンネル確率長依存性の閾値から求めた。光の波長範囲は950～250FilmTeK3000）を用い、吸収係数の波が低下する。また、式（2）によれば、空間電荷層幅nm（0.73～6.52 eV）である。誘電体の電子親和力は、はドナー濃度の－0.5乗に比例する。したがって、ドイオン化ポテンシャルの値からバンドギャップの値をナー濃度すなわち酸素欠陥が少ないほど、空間電荷層引くことにより見積もった。

幅は厚くなり電子のトンネル確率は低下する。
以上のような背景のもと、本報告ではニオブコンデンサのエネルギーバンド構造を分析的に測定し、さらⅢ．結果と考察に平行平板型ニオブコンデンサを作製し、電流電圧特図４に各陰極材料の、光の入射エネルギーに対する性を測定することによりニオブコンデンサのリーク電大気中に飛び出した電子の収率の変化を示す。尚、自流の発現機構について考察した。

然酸化膜の影響を抑えるために、これらの測定は成膜直後に行った。この図に示すように、各陰極材料ともⅡ．実験方法に、ある入射エネルギー以上で電子の収率が立ち上がり、以降は入射エネルギーに対して、電子の収率の鏡面研磨したニオブ（Nb）基板を用い、最初に陽0.5乗が比例することが分かる。この直線を外挿した極酸化により誘電体層を形成した。陽極酸化条件は、ときに電子の収率が0になる点を仕事関数と定義する

電解質を0.5wt% リン酸（H3PO4）、電圧を80V、温度と、各陰極材料の仕事関数は表１のようになった。

を20℃、陽極酸化時間を4時間とした。次にステンレ
ス製の穴あきマスクを用いて、陰極のドットパターンを形成した。マスク穴の直径は1.5 mm である。検討した陰極材料は、アルミニウム（Al）、金（Au）、白金（Pt）、イリジウム（Ir）、酸化イリジウム（IrO2）であり、Al 及び Au は真空蒸着法で形成し、Pt、Ir、IrO2はスパッタ法により形成した。作製したコンデン
サの断面図を図３に示す。
これらのコンデンサの電流－電圧特性は半導体パラ メ ー タ ア ナ ラ イ ザ（ア ジ レ ン ト テ ク ノ ロ ジ ー4156A）を用いて測定した。
陰極及び陽極（Nb）の仕事関数は、大気中光電子分光装置（理研計器AC-2）により測定した11－13）。

図４ 陰極材料の、光の入射エネルギーに対する大気中各に飛び出した電子の収率の変化

46金田

表１

各陰極材料の仕事関数
仕事関数（eV）

Al4.18Pt4.91

Au4.99Ir5.01

IrO25.12

和博化を示す。ベースラインと電子の収率の0.5乗の直線の交点から、Nb2O5のイオン化ポテンシャルは7.8 eVとなった。図８には、Nb2O5の吸収係数の波長依存性を示す。吸収の立ち上がりは、約372 nm であり、この値から Nb2O5のバンドギャップは3.33 eV となった。
以上に示したイオン化ポテンシャル（7.8 eV）及びバンドギャップ（3.33 eV）の値から、Nb2O5の電子親和力は4.47 eV となった。

図５に、Nb の光の入射エネルギーに対する大気中

図９にこれまでに測定したデータから求めた金属のに飛び出してきた電子の収率の変化を示す。陰極材料

仕事関数及び Nb2O5の電子親和力の値を用い、式（1）とは異なり Nb はバルクを用いた。そのため基板表面をもとに計算した陰極と誘電体界面のエネルギー障に自然酸化膜が存在している。図５には、未処理の壁高さ（φBn）を示す。但し、鏡像効果の項は（Δφ0）

Nb と5% フッ酸で5分間処理し、約10分間経過した後は 無 視 し た。 こ の 図 か ら、Nb お よ び Al は、φBn がに測定した値を示している。この図のように、電子のマイナスの値になるためオーミック接触となるのに収率の立ち上がりには0.5 eV 以上の差がある。図６に対して、Pt、Au、Ir、IrO2はショットキー接触とな

Nb のフッ酸処理後の経過時間に対する電子の収率のることがわかる。したがって、陽極（Nb）と誘電体閾値の変化を示す。この図のフッ酸処理後の経過時間（Nb2O5）の界面にはエネルギー障壁がなく、Al を除が1秒の場合の外挿値から、Nb の仕事関数は4.27 eV

く陰極と誘電体の界面にはエネルギー障壁が存在するとなった。

ことが推測できる。

図７に、酸化ニオブ（Nb2O5）の光の入射エネル

図10に異なる陰極材料を用いた各コンデンサの電流ギーに対する大気中に飛び出してきた電子の収率の変－電圧特性を示す。電圧がプラスの場合が通常のコン

図５

図７ N
 b2O5の光の入射エネルギーに対する大気中に飛び出した電子の収率の変化

 bの光の入射エネルギーに対する大気中に飛び出Nした電子の収率の変化

図６ N
 bのフッ酸処理後の経過時間に対する電子の収率の閾値の変化

図８

Nb2O5の吸収係数の入射光の波長依存性